Ядерное слияние, вечно далекая мечта, приближается к реальности

Автор: Кевин Стоклин, The Epoch Times (выделено нами),

Создание почти безграничной, чистой, безуглеродной энергии из ядерного синтеза — видения, которое, кажется, постоянно находится вне досягаемости — за последние несколько лет предприняло серьезные шаги к тому, чтобы стать реальностью.

Национальный центр зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса сделал рекордный лазерный снимок 5 июля 2012 года. Лазерная система NIF из 192 пучков доставила более 500 триллионов ватт пиковой мощности и 1,85 мегаджоулей ультрафиолетового лазерного света к своей цели. Национальная администрация по ядерной безопасности/CC BY-ND 2.0

На пятки крупных недавних прорывов в физических лабораториях в производстве ядерного синтеза, Квест теперь расширился в частный сектор. Распространение стартап-компаний стремится сделать процесс коммерчески жизнеспособным и прибыльным.

Если им это удастся, премия станет богатым источником практически безуглеродной энергии, которая не потребляет обширные акров природных ландшафтов и прибрежных районов, как это делают солнечные батареи и ветряные турбины. И, в отличие от современных ядерных реакторов, термоядерная энергия производит относительно мало радиоактивных отходов.

Тритий и дейтерий, изотопы водорода, являются элементами, используемыми в синтезе, а не тяжелыми элементами, такими как уран и плутоний, которые используются при делении. Конечными продуктами реакции синтеза являются гелий и нейтроны.

Помимо производства меньшего количества отходов, ядерный синтез не влечет за собой риск цепных реакций, таких как Чернобыль.

Если расщепляющаяся установка отключается во время чрезвычайной ситуации, «она все еще может производить много энергии в течение некоторого времени из-за оставшейся активности в реакторе, и именно поэтому она тает», - сказал Жан Барретт, почетный профессор физики в Университете Макгилла.

"В то время как при ядерном синтезе вы выключаете выключатель, и он заканчивается; у него нет оставшегося излучения."

Хотя потенциальные выгоды от термоядерного синтеза многообразны, использование его для производства электроэнергии остается сложной задачей.

«Фундаментальный процесс хорошо известен, и, конечно, это то, что питает звезды», - сказал Роберт Федосеевс, профессор электротехники в Университете Альберты и специалист по лазерным технологиям. Но «слияние является наиболее технологически сложным подходом к производству энергии, который когда-либо предпринималось человечеством. "

Внутри звезд огромная гравитация создает интенсивное тепло и давление, что заставляет несколько ядер водорода сливаться в одно ядро гелия. В этом процессе происходит небольшая потеря массы, и эта «недостающая» масса преобразуется в огромное количество энергии согласно знаменитому уравнению Альберта Эйнштейна e = mc2.

При отсутствии солнечного света, Проблема на Земле заключается не только в создании непрерывного синтеза, но и в том, чтобы он не требовал больше энергии, чем производит.

В декабре 2022 года Национальная лаборатория воспламенения Лоуренса Ливермора (NIF) в Калифорнии перешагнула этот порог. Благодаря работе около 1000 американских и международных ученых NIF создал реакцию синтеза, которая впервые произвела больше энергии, чем потребляла.

Персонал позирует для фотографии в центре Национального центра зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, штат Калифорния, на этом фото. Стив Юрветсон / CC BY 2.0

Это было сделано путем запуска 192 одновременных лазерных лучей в крошечную капсулу размером с перец-кукурузу дейтерия и трития (DT), чтобы сжать и нагреть ее до температуры от 50 до 100 миллионов градусов Кельвина, пока она не слилась с продуктом, являющимся ионом гелия, нейтроном и энергией.

"Они в основном произвели много мега-джоулей энергии синтеза, и только два мега-джоуля лазерной энергии идут в- сказал Федосеев. «Это научный ориентир, к которому люди стремятся последние 50-60 лет, чтобы, по крайней мере, показать, что в лаборатории можно генерировать больше энергии, чем в ней.

"Таким образом, нет никаких сомнений в том, что фьюжн работает. Действительно, как мы можем технически достичь этого устойчивым образом в качестве источника энергии?"

Переход от лабораторий к функциональным реакторам

Переход от разовой, наносекундной реакции в лаборатории к надежному и экономически эффективному производству электроэнергии — вот где ученые, инженеры и инвесторы по всему миру обращают свое внимание.

«Мы очень, очень далеки от работающих заводов», — сказал Барретт. «Вам нужен успех во многих, многих направлениях.

"Это не одна вещь, которую они упускают. Сейчас им не хватает многих вещей, чтобы создать эффективный реактор."

Во-первых, как создавать устойчивые реакции с помощью синтеза, чтобы генерировать электроэнергию с базовой нагрузкой. Развитие в этой области идет по одному из двух путей: лазерный инерционный удерживающий синтез, процесс, используемый NIF, и магнитный удерживающий синтез, который использует магнитное поле для моделирования интенсивной гравитации внутри звезд.

Лазерный синтез, который Федосеев описывает как «микроимплозию в вакуумном сосуде, приводимом в движение ультракоротким лазерным импульсом», взял на себя ведущую роль с точки зрения получения чистой энергии от реакции. Топливные мишени DT тщательно расположены, и все лазеры нацелены именно на пространство, примерно равное ширине человеческого волоса.

Затем они увольняются один раз, прежде чем их нужно перезарядить и перенаправить. Этот процесс обеспечивает примерно одну реакцию в день.

Чтобы стать жизнеспособными для выработки электроэнергии, лазеры должны будут стрелять не менее 100 раз в секунду, сказал Барретт, и хотя решение этой и других проблем не невозможно, «они все еще находятся на стадии исследований. "

Новаторы в этой области работают над созданием более мощных лазеров, которые могут работать с гораздо более высокой частотой повторения, чтобы непрерывно производить энергию.

Однако в августовском отчете Physics Today, написанном учеными-ядерщиками Стефано Ацени и Деброй Каллахан, отмечается, что синтез на основе лазера NIF был проведен с помощью 30-летней лазерной технологии, и что прогресс в лазерной и целевой технологиях теперь продвинулся до такой степени, что лазерный синтез по-прежнему считается потенциально коммерчески жизнеспособным.

Техники работают над целью (R) в Национальном центре зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. (Внизу) Иллюстративный рендеринг показывает гранулу-мишень NIF внутри капсулы Hohlraum с лазерными лучами, входящими через отверстия на обоих концах. Лучи сжимают и нагревают цель до необходимых условий для ядерного синтеза.

В отличие от лазерного синтеза, магнитный синтез опирается на мощное магнитное поле для создания условий, необходимых для синтеза.

С помощью магнитного синтеза машина, называемая токамак, конструкция, которая возникла в Советском Союзе в 1950-х годах, использует магнитные поля для ограничения, сжатия и нагрева плазмы DT в реакторе в форме пончика, называемом тор. Как только происходит слияние, продукт представляет собой ион гелия и нейтрон. Эти нейтроны способны проходить через магнитное поле, и, как они это делают, они захватываются «одеялом» за стеной; это основной источник тепла, который в конечном итоге будет генерировать электричество.

За десятилетия, прошедшие с момента его изобретения, ученые работали над созданием все более сильных магнитов, чтобы генерировать больше энергии в течение более длительного времени.

В 1982 году Принстонская лаборатория физики плазмы создала свой термоядерный реактор Токамак, который установил ряд мировых рекордов, включая нагревание плазмы до 510 миллионов градусов по Цельсию, что значительно превышает 100 миллионов градусов, необходимых для коммерческого синтеза. Эти температуры превышают температуры в центре Солнца, которые, по оценкам НАСА, составляют около 15 миллионов градусов по Цельсию.

В 1994 году TFTR генерировал рекордные 10,7 миллиона ватт контролируемой энергии синтеза, которая могла бы обеспечить энергией более 3000 домов.

В Англии также действует токамак под названием Joint European Torus (JET), который также успешно генерирует рекордное количество энергии синтеза. Кроме того, ученые из 35 стран сотрудничали на токамаке ИТЭР во Франции, который станет крупнейшим сверхпроводящим магнитом, когда-либо построенным и планируется начать работу в 2034 году.

«Он произведет поле 13 тесла, эквивалентное 280 000 раз магнитному полю Земли.Об этом говорится в докладе Министерства энергетики США (DOE). В то время как лазерный синтез в настоящее время лидирует с точки зрения продемонстрированной выходной энергии, магнитный синтез может иметь больше перспектив для генерации непрерывной выходной энергии, необходимой для электроэнергии базовой нагрузки.

«Токамаки могут поддерживать плазменные токи на уровне мегаампера, что эквивалентно электрическому току в самых мощных болтах молний», — говорится в сообщении Министерства энергетики США. "Ученые-энергетики в области слиянийТокамаки являются ведущей концепцией плазменной изоляции для будущих термоядерных электростанций. "

Китай построил экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в Хэфэй, который также успешно работает.

(Топ) Токамак Принстонской лаборатории физики плазмы, называемый Национальным экспериментом по сферическому тору (NSTX-U), в этом файле фото. Машина ITER tokamak в Сен-Поль-Лез-Дюранс, Франция, 9 сентября 2021 года. Майкл Ливингстон / PPPL Источник: Daniel Cole/AP Photo

Проблемы «стены»

Наряду с стремлением разработать коммерчески жизнеспособные реакции синтеза, не менее высоким препятствием является выяснение того, как построить функциональную, прочную физическую структуру для сдерживания и извлечения энергии из реакций.

«У нас была идея «давайте положим солнце в бутылку», и оказалось, что трудной частью было не создание солнца», — сказал Эрик Эмди, физик-исследователь из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).

«Мы создали очень высокотемпературную плазму, температуру, оптимальную для синтеза», — сказал он. «Сложным моментом является создание бутылки. "

Внутри реактора токамак плазма DT, содержащаяся в магнитном поле, окружена физической стенкой, называемой компонентом, обращенным к плазме (PFC), который должен выдерживать 100 миллионов градусов тепла от реакции.

Читайте остальное здесь...